TWI596788B - 雙面光電轉換元件 - Google Patents
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Description
本揭露是有關於一種光電轉換技術，且特別是有關於一種雙面光電轉換元件。
背電極鈍化電池（Passivated Emitter and Rear Contact Solar Cell, PERC）是矽晶太陽能電池的一種類別。然而，傳統背電極鈍化電池只有一個受光面（正面）。傳統背電極鈍化電池的背面配置了面狀金屬電極。此面狀金屬電極遮蔽了傳統背電極鈍化電池的背面，因此傳統背電極鈍化電池的背面無法入射光線。
本揭露提供一種雙面光電轉換元件，可以讓元件雙面都能吸收光能。
本揭露的實施例提供一種雙面光電轉換元件。雙面光電轉換元件包括半導體基板、半導體層、第一電極以及第二電極。半導體基板具有第一導電型態。半導體基板的第一表面為主要受光面。半導體基板的第一表面具有第一織構化結構。半導體基板的第二表面為次要受光面。半導體基板的第二表面具有第二織構化結構。所述第一織構化結構的斜面切線與所述半導體基板的垂直入射線之間夾角的角度為第一角度，而所述第二織構化結構的斜面切線與所述半導體基板的垂直入射線之間夾角的角度為第二角度。所述第二角度大於所述第一角度，且所述第二角度大於等於80°並小於90°。半導體層具有不同於第一導電型態的第二導電型態。半導體層設置在半導體基板的第一表面上，並且半導體層電性連接半導體基板的第一表面。第一電極設置在半導體層上，且電性連接半導體層。第二電極設置在半導體基板的第二表面上，且電性連接半導體基板的第二表面。
基於上述，本揭露的實施例所述雙面光電轉換元件的第一表面（正面）與第二表面（背面）具有不同的粗糙度。第一表面相對粗糙，而第二表面則相對平坦，以提昇所述雙面光電轉換元件的正面的光電轉換效能，同時提供所述雙面光電轉換元件的背面的光電轉換功能。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「連接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一構件連接於第二構件，則應該被解釋成該第一構件可以直接連接於該第二構件，或者該第一構件可以透過其他構件或某種連接手段而間接地連接至該第二構件。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。
圖1是依照本揭露一實施例說明一種雙面光電轉換元件100的剖面結構示意圖。雙面光電轉換元件100可以視為光電池的一種型態，亦即雙面太陽能電池（Bifacial Solar Cell, BSC）。雙面光電轉換元件100包括半導體基板110、半導體層120、第一電極130以及第二電極140。半導體基板110的第一表面111可以作為雙面光電轉換元件100的主要受光面，而半導體基板110的第二表面112可以作為雙面光電轉換元件100的次要受光面。亦即，光線可以經由第一表面111進入半導體基板110，亦可以經由第二表面112進入半導體基板110。
第一表面111具有第一織構化結構。依照設計需求，此第一織構化結構可以包含金字塔微結構、反金字塔（Inverted pyramid）微結構、溝槽微結構或是其他足以讓第一表面111織構化（粗糙化）的微型結構。例如，圖1繪示了第一表面111的部份表面101的放大示意圖。請參照部份表面101，所述第一織構化結構可以是反金字塔微結構，其中所述第一織構化結構的斜面切線102與半導體基板110的垂直入射線103的夾角為第一角度θ1。第二表面112具有第二織構化結構。依照設計需求，此第二織構化結構可以包含金字塔微結構、反金字塔微結構、溝槽微結構或是其他足以讓第二表面112織構化（粗糙化）的微型結構。例如，圖1繪示了第二表面112的部份表面104的放大示意圖。請參照部份表面104，所述第二織構化結構可以是反金字塔微結構，其中所述第二織構化結構的斜面切線105與半導體基板110的垂直入射線106的夾角為第二角度θ2。在本實施例中，第二角度θ2大於等於80°，並且第二角度θ2小於90°。第一角度θ1小於第二角度θ2。舉例來說（但不限於此），第一角度θ1可以在32.5°至40°之間。
半導體層120設置在半導體基板110的第一表面111上，並且半導體層120電性連接第一表面111。半導體層120可以作為雙面光電轉換元件100（雙面太陽能電池）的射極（emitter）。半導體基板110的材質可以是單晶矽或是其他半導體。半導體基板110具有第一導電型態，而半導體層120具有不同於第一導電型態的第二導電型態。舉例來說，在一些實施例中，當半導體基板110為P型摻雜半導體時，半導體層120可以是N型摻雜半導體（一般標示為N）或是N型重摻雜半導體（一般標示為N+）。在另一些實施例中，當半導體基板110為N型摻雜半導體時，半導體層120可以是P型摻雜半導體（一般標示為P）或是P型重摻雜半導體（一般標示為P+）。
半導體層120與半導體基板110形成一個PN接面（PN junction）。當光能（例如太陽光）照射到半導體層120與半導體基板110時，半導體（例如矽）會產生電子與電洞對。在P型半導體中，由於具有較高的電洞密度，使得經光產生的電洞具有較長的生命期。同理，在N型半導體中，經光產生的電子有較長的生命期。在PN接面處，由於有效載子濃度不同而造成的擴散，將會產生一個由N指向P的內建電場。因此，當光能被PN接面處的半導體吸收時，光能所產生的電子將會受電場作用而移動至N型半導體處，光能所產生的電洞則移動至P型半導體處。所以，半導體層120與半導體基板110可以各自累積電荷，進而提供電動勢（Electromotive force）或電位差。
一個或多個第一電極130設置在半導體層120上，且第一電極130電性連接半導體層120。第一電極130的材質可以是銀電極或是其他金屬。一個或多個第二電極140設置在半導體基板110的第二表面112上，且第二電極140電性連接第二表面112。第二電極的材質可以是鋁電極或是其他金屬。當半導體基板110為P型摻雜半導體且半導體層120是N型摻雜半導體時，第一電極130可以將N型半導體（半導體層120）的電子流導出，而第二電極140可以將P型半導體（半導體基板110）的電流（電洞）導出。當半導體基板110為N型摻雜半導體且半導體層120是P型摻雜半導體時，第一電極130可以將P型半導體（半導體層120）的電流（電洞）導出，而第二電極140可以將N型半導體（半導體基板110）的電子流導出。
圖2是依照本揭露另一實施例說明一種雙面光電轉換元件200的剖面結構示意圖。雙面光電轉換元件200包括半導體基板210、半導體層220、第一電極230、第二電極240、抗反射層250以及鈍化堆疊層260。圖2所示雙面光電轉換元件200、半導體基板210、半導體層220、第一電極230以及第二電極240可以參照圖1所示雙面光電轉換元件100、半導體基板110、半導體層120、第一電極130以及第二電極140的相關說明而類推，故不再贅述。
請參照圖2，半導體基板210的第一表面211具有第一織構化結構。依照設計需求，此第一織構化結構可以包含金字塔微結構、反金字塔微結構、溝槽微結構或是其他足以讓第一表面211織構化（粗糙化）的微型結構。例如，圖2繪示了第一表面211的部份表面201的放大示意圖。請參照部份表面201，所述第一織構化結構可以是反金字塔微結構，其中所述第一織構化結構的斜面切線202與半導體基板210的垂直入射線203的夾角為第一角度θ1。第二表面212具有第二織構化結構。依照設計需求，此第二織構化結構可以包含金字塔微結構、反金字塔微結構、溝槽微結構或是其他足以讓第二表面212織構化（粗糙化）的微型結構。例如，圖2繪示了第二表面212的部份表面204的放大示意圖。請參照部份表面204，所述第二織構化結構可以是反金字塔微結構，其中所述第二織構化結構的斜面切線205與半導體基板210的垂直入射線206的夾角為第二角度θ2。在本實施例中，第二角度θ2大於等於80°，並且第二角度θ2小於90°。第一角度θ1小於第二角度θ2。舉例來說（但不限於此），第一角度θ1可以在32.5°至40°之間。
抗反射層250設置在半導體層220上。抗反射層250具有開口以容置第一電極230。抗反射層250的材質可以視設計需求來決定。舉例來說（但不限於此），抗反射層250可以包括氮化矽（SiNx
）。抗反射層250還可以作為雙面光電轉換元件200的介電層、絕緣層及/或保護層。鈍化堆疊層260設置在半導體基板210的第二表面212上。鈍化堆疊層260具有開口以容置第二電極240。於本實施例中（但不限於此），鈍化堆疊層260包括鈍化層（passivation layer）261與抗反射層262。鈍化層261設置在半導體基板210的第二表面212上，其中鈍化層261具有開口以容置第二電極240。抗反射層262設置在鈍化層261上，其中抗反射層262具有開口以容置第二電極240。鈍化層261與抗反射層262的材質可以視設計需求來決定。舉例來說（但不限於此），鈍化層261的材料可以包括氧化鋁（Al2
O3
）、氧化矽（Oxide）或氮化矽（SiN），而抗反射層262的材料可以包括氮化矽（SiNx
）。
半導體基板210的第一表面211可以作為雙面光電轉換元件200的主要受光面，而半導體基板210的第二表面212可以作為雙面光電轉換元件200的次要受光面。亦即，光線可以經由抗反射層250而進入半導體層220與半導體基板210，光線亦可以經由鈍化堆疊層260進入半導體基板210與半導體層220。
圖3是說明圖2所示雙面光電轉換元件200的光徑示意圖。圖3繪示了垂直入射光300照射雙面光電轉換元件200的第一表面211的光徑。表1記載了圖3所示光徑311、312、313、314、315、316與317的光量關係。若將原始的垂直入射光300的光亮定義為100%，則圖3所示光徑311～317的光量（單位為%）如表1所示。在此將半導體基板210的所述第一織構化結構的第一角度θ1（即第一表面211的粗糙度）設定為27°正負誤差3°（即27±3°），而半導體基板210的所述第二織構化結構的第二角度θ2（即第二表面212的粗糙度）如表1所示。 表1：圖3所示光徑311～317的光量與第二表面212的第二角度θ2關係
藉由調整第二表面212的參數（例如第二角度θ2），可以有效提升電池效率。從表1可以看出，當第二表面212的所述第二織構化結構的第二角度θ2大於等於80°並且小於90°時，光徑312的光量為0%，使得第一表面211的光電特性可以提昇。也就是說，雙面光電轉換元件200的第一表面211與第二表面212具有不同的粗糙度（第一表面211相對粗糙，而第二表面212則相對平坦），可以有效提昇第一表面211的光電特性（提昇雙面光電轉換元件200的第一表面211的光電轉換效能）。在對第一表面211的光電特性進行最佳化後，再盡量提升背面光電特性。
圖4是依照本揭露一實施例說明圖2所示雙面光電轉換元件200的製造流程示意圖。圖5A至圖5I分別說明圖2所示雙面光電轉換元件200於不同製程步驟中的剖面結構示意圖。請參照圖4與圖5A，於步驟S410中，先使用HPM（Hydrochloric Acid Hydrogen Peroxide Mixture）溶液（或其他清洗液）清洗半導體基板210（或晶圓）的表面。在此，半導體基板210可以是p型單晶矽矽基板。於步驟S420中，以氫氧化鉀（KOH）蝕刻半導體基板210，以便在半導體基板210上進行表面織構化（texturization，即結構化或粗糙化），如圖5B所示。
於步驟S430中，半導體層220被配置在半導體基板210的第一表面211。舉例來說（但不限於此），半導體基板210可以被置入氧氯化磷（POCl3
）氣體環境中，將半導體基板210表面進行磷擴散而成為N型半導體層（半導體層220），以製作PN接面（如圖5C所示）。在完成磷擴散後，將磷矽酸鹽玻璃（Phospo-Silicate-Glass, PSG）層移除。
於步驟S440中，抗反射層250可以被配置在半導體層220上。舉例來說（但不限於此），電漿增益型化學氣相沈積法（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）可以被用來對半導體層220進行鍍膜，而形成抗反射層250（如圖5D所示）。
於步驟S450中，半導體基板210的背面可以進行平坦化，以形成半導體基板210的第二表面212，並使第二表面212的第二角度θ2大於第一表面211的第一角度θ1。舉例來說（但不限於此），氫氧化鈉（NaOH）可以被用來對半導體基板210的背面進行蝕刻，以去除半導體基板210的背表面的N型半導體層，以及平坦化半導體基板210的背表面（如圖5E所示）。
於步驟S460中，鈍化層261可以被配置在半導體基板210的第二表面212上。舉例來說（但不限於此），原子層沉積（atomic layer deposition, ALD）方法可以被用來將氧化鋁（Al2
O3
）鍍置在半導體基板210的第二表面212上，以形成鈍化層261（如圖5F所示）。
於步驟S470中，抗反射層262可以被配置在鈍化層261上。舉例來說（但不限於此），電漿增益型化學氣相沈積法（PECVD）可以被用來對鈍化層261進行鍍膜，而形成抗反射層262（如圖5G所示）。
於步驟S480中，一個或多個開口可以被配置在抗反射層250，以及一個或多個開口可以被配置在鈍化堆疊層260（鈍化層261與抗反射層262）。舉例來說（但不限於此），雷射可以被用來對抗反射層250、鈍化層261與抗反射層262進行開口。因此，半導體層220可以裸露於抗反射層250的開口中，而半導體基板210可以裸露於鈍化堆疊層260（鈍化層261與抗反射層262）的開口中（如圖5H所示）。
於步驟S490中，第一電極230可以被配置在抗反射層250的開口中，而第二電極240可以被配置在鈍化堆疊層260（鈍化層261與抗反射層262）的開口中。舉例來說（但不限於此），藉由網印方式，第一電極230可以被網印於第一表面211的抗反射層250的開口中，以及第二電極240可以被網印於第二表面212的鈍化堆疊層260（鈍化層261與抗反射層262）的開口中。在完成網印後，第一電極230與第二電極240可以進行燒結，而形成雙面太陽電池（如圖5I所示）。
綜上所述，本揭露諸實施例所述雙面光電轉換元件200（或100）的第一表面（正面）與第二表面（背面）具有不同的粗糙度。第一表面相對粗糙，而第二表面則相對平坦，有效以提昇所述雙面光電轉換元件200（或100）的正面的光電轉換效能，同時提供所述雙面光電轉換元件200（或100）的背面的光電轉換功能。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100、200‧‧‧雙面光電轉換元件
101、104、201、204‧‧‧部份表面
102、105、202、205‧‧‧斜面切線
103、106、203、206‧‧‧垂直入射線
110、210‧‧‧半導體基板
111、211‧‧‧第一表面
112、212‧‧‧第二表面
120、220‧‧‧半導體層
130、230‧‧‧第一電極
140、240‧‧‧第二電極
101、104、201、204‧‧‧部份表面
102、105、202、205‧‧‧斜面切線
103、106、203、206‧‧‧垂直入射線
110、210‧‧‧半導體基板
111、211‧‧‧第一表面
112、212‧‧‧第二表面
120、220‧‧‧半導體層
130、230‧‧‧第一電極
140、240‧‧‧第二電極
250‧‧‧抗反射層
260‧‧‧鈍化堆疊層
261‧‧‧鈍化層
262‧‧‧抗反射層
300‧‧‧垂直入射光
311、312、313、314、315、316、317‧‧‧光徑
θ1‧‧‧第一角度
θ2‧‧‧第二角度
S410~S490‧‧‧步驟
圖1是依照本揭露一實施例說明一種雙面光電轉換元件的剖面結構示意圖。 圖2是依照本揭露另一實施例說明一種雙面光電轉換元件的剖面結構示意圖。 圖3是說明圖2所示雙面光電轉換元件的光徑示意圖。 圖4是依照本揭露一實施例說明圖2所示雙面光電轉換元件的製造流程示意圖。 圖5A至圖5I分別說明圖2所示雙面光電轉換元件於不同製程步驟中的剖面結構示意圖。
100‧‧‧雙面光電轉換元件
101、104‧‧‧部份表面
102、105‧‧‧斜面切線
103、106‧‧‧垂直入射線
110‧‧‧半導體基板
111‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二表面
120‧‧‧半導體層
130‧‧‧第一電極
140‧‧‧第二電極
θ1‧‧‧第一角度
θ2‧‧‧第二角度
Claims (10)
- 一種雙面光電轉換元件，包括：一半導體基板，具有一第一導電型態，其中該半導體基板的一第一表面為主要受光面，該第一表面具有一第一織構化結構，該第一織構化結構的一斜面切線與該半導體基板的一垂直入射線的夾角的角度為第一角度，該半導體基板的一第二表面為次要受光面，該第二表面具有一第二織構化結構，該第二織構化結構的一斜面切線與該半導體基板的一垂直入射線的夾角的角度為第二角度，該第二角度大於等於80°並小於90°，且該第二角度大於該第一角度，一半導體層，具有不同於該第一導電型態的一第二導電型態，其中該半導體層設置在該半導體基板的該第一表面上，並且該半導體層電性連接該第一表面；一第一電極，設置在該半導體層上，且電性連接該半導體層；一第二電極，設置在該半導體基板的該第二表面上，且電性連接該第二表面；以及一鈍化堆疊層，設置在該半導體基板的該第二表面上，其中該鈍化堆疊層具有一開口以容置該第二電極，該鈍化堆疊層包括：一鈍化層，設置在該半導體基板的該第二表面上；以及一抗反射層，設置在該鈍化層上。
- 如申請專利範圍第1項所述的雙面光電轉換元件，其中當該半導體基板為一P型摻雜半導體時，該半導體層為一N型摻雜 半導體；以及當該半導體基板為一N型摻雜半導體時，該半導體層為一P型摻雜半導體。
- 如申請專利範圍第1項所述的雙面光電轉換元件，其中該第一織構化結構包括一反金字塔微結構，該第一織構化結構的該第一角度在32.5°至40°之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的雙面光電轉換元件，其中該第二織構化結構包括一反金字塔微結構。
- 如申請專利範圍第1項所述的雙面光電轉換元件，其中該第一電極為銀電極，該第二電極為鋁電極。
- 如申請專利範圍第1項所述的雙面光電轉換元件，更包括：一抗反射層，設置在該半導體層上，其中該抗反射層具有一開口以容置該第一電極。
- 如申請專利範圍第6項所述的雙面光電轉換元件，其中該抗反射層的材料包括氮化矽。
- 如申請專利範圍第1項所述的雙面光電轉換元件，其中該鈍化層具有一開口以容置該第二電極，以及該抗反射層具有一開口以容置該第二電極。
- 如申請專利範圍第8項所述的雙面光電轉換元件，其中該鈍化層的材料包括氧化鋁、氧化矽或氮化矽。
- 如申請專利範圍第8項所述的雙面光電轉換元件，其中該抗反射層的材料包括氮化矽。
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